Оценка эффективности маркеров S-локуса для выявления самофертильных форм на материале коллекции косточковых культур Майкопской опытной станции – филиала ВИР

Актуальность. S-локус, контролирующий систему гаметофитной несовместимости у видов семейства Розовые, отличается высокой степенью аллельного разнообразия, которое с успехом используется для S-генотипирования и молекулярной паспортизации, а также для уточнения филогенетических взаимоотношений между видами. В практическом плане изучение S-локуса важно также для выявления мутантных аллелей, приводящих к самофертильности. Недавно у сливы домашней Prunus domestica L. была установлена ассоциация данного признака с присутствием в геноме аллеля S17, и были разработаны специфичные праймеры для его идентификации. Целью нашей работы было выявление маркеров данного аллеля в выборке образцов коллекций косточковых, поддерживаемых на Майкопской опытной станции – филиале ВИР и НПБ «Пушкинские и Павловские лаборатории ВИР», а также определение их эффективности в параллельном фенотипическом анализе. Материалы и методы. Молекулярный скрининг проводили с использованием праймеров, специфичных для аллеля S17, и консенсусных праймеров PruC2/PCER. Параллельно в течение двух лет (2023 и 2024 годов) образцы сливы и алычи были фенотипированы по признаку самофертильности с использованием методики, принятой в ВИР. Результаты и обсуждение. Изучена выборка из 266 образцов косточковых культур коллекции Майкопской опытной станции, из них 76 образцов алычи Prunus cerasifera Ehrh., 150 образцов сливы домашней P. domestica, один образец сливы североамериканской Prunus americana Marsh., один образец сливы канадской Prunus nigra Aiton, три образца сливы русской Prunus × rossica Erem. и 35 образцов терна Prunus spinosa L. Выявлено 16 образцов – носителей аллеля S17. Параллельно в течение двух сезонов (2024 и 2025 годов) для значительной части выборки, 124 образцов алычи и сливы домашней, оценили способность растений формировать плоды при опылении собственной пыльцой. Число самофертильных образцов у гексаплоидной сливы домашней составило 56,1%, а у алычи – только 7,4%. Данные результаты полностью согласуются с описанным в литературе явлением широкого распространения самофертильных форм среди полиплоидных организмов. При этом большинство самофертильных образцов не имели аллеля S17, то есть их самоплодность должна объясняться какими-то другими причинами. С другой стороны, почти все образцы сливы домашней с аллелем S17 оказались самофертильными. Заключение. Сопоставление результатов молекулярного скрининга и фенотипического анализа показало, что аллель S17 у сливы домашней действительно проявляет ассоциацию со свойством самосовместимости, однако у P. domestica должны существовать и другие мутантные варианты, приводящие к нарушению механизмов деградации собственных пыльцевых трубок. У диплоидной алычи такой ассоциации не наблюдается. Выявленные в процессе анализа самофертильные образцы с маркерами аллеля S17, представляют большой интерес для селекции, поскольку их можно непосредственно использовать в маркер-вспомогательном отборе.

1. Abdallah D., Baraket G., Ben Mustapha S., Angeles Moreno M.A., Salhi Hannachi A. Molecular and evolutionary characterization of pollen S determinant (SFB alleles) in four diploid and hexaploid plum species (Prunus spp.). Biochemical Genetics. 2021;59(1):42-61. DOI: 10.1007/s10528-020-09990-x

2. Abdallah D., Baraket G., Perez V., Ben Mustapha S., Salhi-Hannachi A., Hormaza J.I. Analysis of self-incompatibility and genetic diversity in diploid and hexaploid plum genotypes. Frontiers in Plant Science. 2019;10:896. DOI: 10.3389/fpls.2019.00896

3. Aguiar B., Vieira J., Cunha A.E., Fonseca N.A., Iezzoni A., van Nocker S., Vieira C.P. Convergent evolution at the gametophytic self-incompatibility system in Malus and Prunus. PLoS ONE 2015;10(5):e0126138. DOI: 10.1371/journal.pone.0126138

4. Антонова О.Ю., Клименко Н.С., Рыбаков Д.А., Фомина Н.А., Желтова В.В., Новикова Л.Ю., Гавриленко Т.А. SSR-анализ современных российских сортов картофеля с использованием ДНК номенклатурных стандартов. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(4):77-96. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-4-o2

5. Bošković R., Tobutt K.R. Correlation of stylar ribonuclease isoenzymes with incompatibility alleles in sweet cherry. Euphytica. 1996;90(2):245-250. DOI: 10.1023/A:1003516902123

6. Fernandez i Marti A., Castro S., DeJong T.M., Dodd R.S. Evaluation of the S-locus in Prunus domestica, characterization, phylogeny and 3D modelling. PloS One. 2021;16(5):e0251305. DOI: 10.1371/journal.pone.0251305

7. Golz J.F., Su V., Clarke A.E., Newbigin E. A molecular description of mutations affecting the pollen component of the Nicotiana alata S locus. Genetics. 1999;152:123-1135. DOI: 10.1093/genetics/152.3.1123

8. Halász J., Makovics - Zsohár N., Szőke F., Ercisli S., Hegedűs A. Simple sequence repeat and S-locus genotyping to assist the genetic characterization and breeding of polyploid Prunus species, P. spinosa and P. domestica subsp. insititia. Biochemical Genetics. 2021;59(4):1065-1087. DOI: 10.1007/s10528-021-10090-7

9. Halasz J., Kurilla A., Hegedus A. Preliminary characterization of the self-incompatibility genotypes of European plum (Prunus domestica L.) cultivars. International Journal of Horticultural Science. 2014;20(3–4):23-26. DOI: 10.31421/IJHS/20/3-4/1128.

10. Hauck N. R., Yamane H., Tao R., Iezzoni A. F. Accumulation of nonfunctional S-haplotypes results in the breakdown of gametophytic self-incompatibility in tetraploid Prunus. Genetics. 2006;172:1191-1198. DOI: 10.1534/genetics.105.049395

11. Huang S. - X., Wu H. - Q., Li Y. - R., Wu J.S. - J., Heng W., Zhang S. - L. Competitive interaction between two functional S-haplotypes confer self-compatibility on tetraploid Сhinese cherry (Prunus pseudocerasus Lindl. CV. Nanjing Chuisi). Plant Cell Reports. 2008;27:1075-1085. DOI: 10.1007/s00299-008 0528-7

12. Igic B., Kohn J.R. Evolutionary relationships among self-incompatibility RNases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2001;98(23):13167-13171. DOI: 10.1073/pnas.231386798

13. Inglis P.W., Pappas M.C.R., Resende L.V., Grattapagila D. Fast and inexpensive protocols for consistent extraction of high quality DNA and RNA from challenging plant and fungal samples for high throughput SNP genotyping and sequencing applications. PLoS ONE. 2018;13(10):1-14. DOI: 10.17504/protocols.io.tzfep3n

14. Kao Th., Huang S. Gametophytic self-incompatibility: a mechanism for self/nonself discrimination during sexual reproduction. Plant Physiology. 1994;105(2):461-466. DOI: 10.1104/pp.105.2.461

15. Matsumoto D., Tao R. Distinct self-recognition in the Prunus S-RNase-based gametophytic self-incompatibility system. The Horticulture Journal. 2016a;85(4):289-305. DOI: 10.2503/hortj.MI-IR06

16. Matsumoto D., Tao R. Recognition of a wide-range of S-RNases by S locus F-box like 2, a general-inhibitor candidate in the Prunus-specific S-RNase-based self-incompatibility system. Plant Molecular Biology. 2016b;91(4-5):459-69. DOI: 10.1007/s11103-016-0479-2

17. Matsumoto D., Yamane H., Abe K., Tao R. Identification of a Skp1-like protein interacting with SFB, the pollen S determinant of the gametophytic self-incompatibility in Prunus. Plant Physiology. 2012;159(3):1252-1261. DOI: 10.1104/pp.112.197343

18. Morimoto T., Akagi T., Tao R. Evolutionary analysis of genes for S-RNase-based self-incompatibility reveals S locus duplications in the ancestral Rosaceae. The Horticulture Journal. 2015;84(3):233-242. DOI: 10.2503/hortj.mi-060

19. Nunes M.D., Santos R.A., Ferreira S.M., Vieira J., Vieira C.P. Variability patterns and positively selected sites at the gametophytic self-incompatibility pollen SFB gene in a wild self-incompatible Prunus spinosa (Rosaceae) population. New Phytologist. 2006;172(3):577-587. DOI: 10.1111/j.1469-8137.2006.01838.x

20. Программа и методика сортоизучения плодовых, ягодных и орехоплодных культур / под ред. Е.Н. Седова, Т.П. Огольцовой. Орел: Изд-во ВНИИСПК; 1999.

21. Sonneveld T., Robbins T.P., Bošković R., Tobutt K.R. Cloning of six cherry self-incompatibility alleles and development of allele-specific PCR detection. Theoretical and Applied Genetics. 2001;102:1046-1055. DOI: 10.1007/s001220000525

22. Sonneveld T., Tobutt K.R., Robbins T.P. Allele-specific PCR detection of sweet cherry self-incompatibility (S) alleles S1 to S16 using consensus and allele-specific primers. Theoretical and Applied Genetics. 2003;107(6):1059-1070. DOI: 10.1007/s00122-003-1274-4

23. Sutherland B.G., Cerovic R., Robbons T.P., Tobutt K.R. The myrobalan (Prunus cerasifera L.): a useful diploid model for studying the molecular genetics of self-incompatibility in plums. Euphytica. 2009;166:385-398. DOI: 10.1007/s10681-008-9821-3

24. Sutherland B.G., Tobutt K.R., Robbins T.P. Trans-specific S-RNase and SFB alleles in Prunus self-incompatibility haplotypes. Molecular Genetics and Genomics. 2008;279:95-106. DOI: 10.1007/s00438-007-0300-7

25. Tao R., Yamane H., Sugiura A. Cloning of genomic DNA sequences encoding S1-, S3- , S4-, and S6-RNases (Accession Nos. AB031815, AB031816, AB031817 and AB031818) from sweet cherry (Prunus avium L.). Plant Physiology. 1999a;121:1057.

26. Tao R., Yamane H., Sugiura A., Murayama H., Sassa H., Mori H. Molecular typing of S-alleles through identification, characterization and cDNA cloning for S-RNases in sweet cherry. Journal of the American Society for Horticultural Science. 1999b;124(3):224-233.

27. Vaughan S.P., Russell K., Sargent D.J., Tobutt K.R. Isolation of S-locus F-box alleles in Prunus avium and their application in a novel method to determine self-incompatibility genotype. Theoretical and Applied Genetics. 2006;112:856-866. DOI: 10.1007/s00122-005-0187-9

28. Vieira J., Fonseca N.A., Vieira C.P. An S-RNase-based gametophytic self-incompatibility system evolved only once in eudicots. Journal of Molecular Evolution. 2008a;67:179-190. DOI: 10.1007/s00239-008-9137-x

29. Vieira J., Fonseca N.A., Vieira C.P. RNase-based gametophytic self-incompatibility evolution: questioning the hypothesis of multiple independent recruitments of the S-pollen gene. Journal of Molecular Evolution. 2009;69:32-41. DOI: 10.1007/s00239-009-9249-y

30. Vieira J., Santos R.A., Ferreira S.M., Vieira C.P. Inferences on the number and frequency of S-pollen gene (SFB) specificities in the polyploid Prunus spinosa. Heredity. 2008b;101(4):351-358. DOI: 10.1038/hdy.2008.60

31. Wright S. The distribution of self-sterility alleles in populations. Genetics. 1939;24:538-552.

32. Wu J., Gu C., Tao R. Molecular determinants and mechanisms of gametophytic self-incompatibility in fruit trees of Rosaceae. Critical Reviews in Plant Sciences. 2013;32(1):53-68.

33. Xu C., Li M., Wu J., Guo H., Li Q., Zhang Y., Chai J., Li T., Xue Y. Identification of a canonical SCFSLF complex involved in S-RNase-based self-incompatibility of Pyrus (Rosaceae). Plant Molecular Biology. 2013;81(3):245-257. DOI: 10.1007/s11103-012-9995-x

34. Yamane H., Tao R., Sugiura A., Hauck N.R., Iezzoni A.F. Identification and characterization of S-RNases in tetraploid sour cherry (Prunus cerasus). Journal of the American Society for Horticultural Science. 2001;126(6):661-667.

35. Юшев А.А., Сорокин А.А., Тихонова О.А., Орлова С.Ю., Кислин Е.Н., Радченко О.Е., Пупкова Н.А., Шлявас А.В. Коллекция генетических ресурсов плодовых и ягодных растений: сохранение, пополнение, изучение: Методические указания / под ред. А.А. Юшева, И.Г. Чухиной. Санкт-Петербург: ВИР; 2016.

36. Zhang S.L., Huang S.X., Kitashiba H., Nishio T. Identification of S-haplotype-specific F-box gene in Japanese plum (Prunus salicina Lindl.). Sexual Plant Reproduction. 2007;20(1):1-8. DOI: 10.1007/s00497-006-0037-1